3. ISITMA SİSTEMİ MODELİ
3.1. Su Debisi Simülasyonu
3.1.3. Su Debisi Modeline ait Parametrik Çalışmalar
Tasarım süreci boyunca testi yapılmış olan tasarımlara ait tasarım parametreleri girdi 862
olarak kullanılarak, 4 adet tasarım konfigürasyonuna ait sonuçlar paylaşılmıştır. Su 863
debisi modeli oluşturulurken, bu konfigürasyonlara ait sonuçların test sonuçlarıyla 864
tutarlı olması beklenmiştir. 865
36
Parametrik çalışmalarda ise, tasarım konfigürasyonlarında denenmemiş tasarım 866
parametreleri kullanılarak, farklı tasarım parametrelerinde sonuçların nasıl 867
değişeceği ve bu değişimlerin hidrodinamik açıdan tutarlılıkları irdelenmiştir. 868
3.1.3.1. Hortum İç Çaplarının ve Toplam Uzunluğunun Su Debisine Etkisi 869
Daha önceki tasarım konfigürasyonlarında, 12 mm’lik hortum iç çaplarının 38 870
mm’ye çıkarılması durumda su debisindeki değişim incelenmiştir. Bu parametrik 871
çalışmada ise, ara noktalarda denenecek hortum çaplarında nasıl bir değişiklik 872
olacağı incelenecektir. Daha tutarlı bir kontrol grubu oluşturmak amacıyla, 1 adet ısı 873
değiştirgeci için toplam hortum boyu 4 metre, 90 derecelik dirsek sayısı ise 0 olarak 874
alınmıştır. Dirsek sayısının sıfır alınmasının nedeni, hortum iç çaplarına göre 875
sistemdeki lokal kayıpların artması nedeniyle hortum iç çapının tek başına olan 876
etkisini ortaya koymayı zorlaştırmasıdır. Toplam hortum boyunun 4 metre olarak 877
alınmasıyla, 4 tasarım konfigürasyonuna ait ortalama hortum uzunluklarına göre bir 878
parametrik tasarım çalışması hedeflenmiştir. 879
880
Şekil 3.4: 4 Metre Hortum Uzunluğunda Farklı Hortum Çaplarına ait ΔP–Q Grafiği 881
Şekil 3.4’te, 4 farklı hortum iç çapına ait simülasyon grafikleri gösterilmektedir. 882
Hortum çapları sırasıyla 5, 10, 20 ve 40 mm olarak verilmiş olup, 20 mm’den sonra 883
hortum çapını artırmanın sistemin temel yapısını değiştirmekten ve su debisini 884
artırmaktan uzak olduğu görülmektedir. Bu durumun temel nedeniyse, ısı 885
değiştirgeci içinde 9,9 mm’ye düşen iç çapın, hortum iç çapı arttıkça sistemdeki 886
basınç kaybını yaratan temel unsur haline gelmesidir. 887
37
Çizelge 3.1’de görüleceği gibi, hortum çapı arttıkça ısı değiştirgeci içindeki basınç 888
kaybının sistemdeki toplam basınç kaybına oranı %4’ten %99,8’e kadar yükselmiştir. 889
Çizelge 3.1: 4 Metre Hortum Uzunluğunda Farklı Hortum Çaplarına ait Sonuçlar 890
Hortum Çapı (mm) L (m) Q (lt/sa) ΔP (bar) Hat ΔP ΔP exc ΔPexc/ΔP
5 4 192 0,917 0,880 0,037 0,040
10 4 820 0,878 0,413 0,465 0,529 20 4 1135 0,856 0,027 0,829 0,968 40 4 1153 0,854 0,002 0,852 0,998 891
Şekil 3.5’te tasarım parametresi olarak 40 metre girilen tasarım konfigürasyonu için, 892
aynı hortum iç çapları için sonuçlardaki değişim görülebilir. Her ne kadar, araçta 893
uygulanacak tasarımlarda toplam hortum boyunun 40 metre olması fiziken mümkün 894
olmasa da, özellikle hortum iç çapının 20 mm’den 40 mm’ye çıkarıldığı durumda, 4 895
metre hortum uzunluğuna göre daha ciddi bir değişim görülmektedir. Aynı şekilde, 896
hortum iç çapı 5 mm iken, hacimsel su debisinde daha düşük bir sonuç elde 897
edilmiştir. 898
899
Şekil 3.5: 40 Metre Hortum Uzunluğunda Artan Hortum Çaplarına ait ΔP–Q Grafiği 900
Bu durumun birinci nedeni, Denklem 3.3’te gösterildiği gibi toplam hortum 901
uzunluğunun hortumlardaki sürekli kayıplarla doğru orantılı olmasıdır. İkinci nedeni 902
ise, hatta oluşan toplam sürekli kayıplar içerisindeki ısı değiştirgecinin payının 903
hacimsel debi yükseldikçe yükselmesidir. 904
38
Çizelge 3.2’de görüleceği gibi, hortum çapı arttıkça yine hacimsel su debisi artmaya 905
devam etmiş, fakat hortum çapı büyüdükçe bu artış azalmaya eğilimi göstermiştir. 906
Çizelge 3.2: 40 Metre Hortum Uzunluğunda Farklı Hortum Çaplarına ait Sonuçlar 907
Hortum Çapı (mm) L (m) Q exc (lt/sa) ΔP (bar) Hat ΔP ΔP exc ΔPexc/ΔP
5 40 52 0,917 0,913 0,004 0,004
10 40 328 0,907 0,814 0,093 0,103 20 40 996 0,866 0,209 0,657 0,759 40 40 1147 0,855 0,010 0,844 0,987 908
Bu durumun nedeni, bir önceki 4 metrelik hortum uzunluğu konfigürasyonlarında da 909
olduğu gibi, ısı değiştirgeçleri içindeki sürekli basınç kaybının hortum içindeki 910
sürekli basınç kayıplarına oranla düşmemesidir. Çizelge 3.1’le karşılaştırıldığında, 911
Çizelge 3.2’de ısı değiştirgecindeki basınç kayıp oranı %0,4’ten %98,7’ye 912
yükselmiştir. 5 mm’lik 2 konfigürasyon arasında hacimsel su debisi 192 lt/sa’den 52 913
lt/sa’ye düşmüştür. Bu farkın nedeni, toplam hortum uzunluğunun 4 metreden 40 914
metreye yükselmesidir. 915
40 metrelik temel hortum içi sürekli kayıp çarpanı 4 metrelik konfigürasyona göre 10 916
kat daha yüksek olduğu için hacimsel su debisi sonuçları daha düşük çıkmıştır. 917
Ancak, hortum iç çapı yükseldikçe hortumlardaki sürekli basınç kayıpları 918
düştüğünden dolayı, hortum çapı arttıkça aradaki fark azalmış ve 40 mm hortum iç 919
çapı için aradaki fark %0,5’e kadar düşmüştür. Aynı hacimsel debi için akışkan 920
hızının çap oranlarının karesiyle doğru orantılı olarak değiştiği göz önünde 921
bulundurulacak olursa, bu durum beklentileri karşıladığı görülecektir. 922
Su debisi simülasyon sonuçlarına göre, 4 metre toplam hortum uzunluğu için 20 923
mm’den sonra hortum iç çapını yükseltmenin su debisini artırıcı bir etkisi yoktur. Bu 924
duruma rağmen, hortum iç çapı, toplam hortum uzunluğuyla beraber sistemdeki 925
toplam su hacmini belirleyen bir parametre olduğundan dolayı, ısıtıcı çalışma 926
rejimini belirleyen önemli bir parametredir. 927
3.1.3.2. Su Pompasının Su Debisine Etkisi 928
Daha önceki parametrik çalışmalarda, hortum çap ve uzunluğunun su debisine etkisi 929
incelenmiştir. Her ne kadar, düşük hortum uzunluklarında, çap artışının ciddi bir fark 930
yaratması söz konusu olmasa da, farklı çaplara ait basınç kaybı eğrileri hacimsel debi 931
39
arttıkça birbirlerinden farklılık gösterebilir. Bu durumun nedeni basınç kaybı 932
eğrilerinin tasarım konfigürasyonunun kendine özgülüğünden kaynaklanan sürtünme 933
faktörü arasındaki farklılıklardır. 934
Şekil 3.6’da mevcut pompaya ait ΔP – Q fonksiyonunun 2 katı ve yarısına ait farklı 935
pompa fonksiyonları 4 metre hortum uzunluğu için çizilen Şekil 3.6 üzerine mevcut 936
pompa fonksiyonuyla beraber çizilmiştir. 937
938
Şekil 3.6: Farklı Pompa Eğrileri için ΔP - Q Grafiği 939
Isı değiştirgeci içindeki boru iç çapının 9.9 mm olması nedeniyle, sisteme ait toplam 940
eğriler en çok bu değere yakın noktalarda etkilenmektedir. Bu nedenle, hortum iç 941
çapının 10 mm ve altında olduğu durumlarda, sistemdeki toplam basınç eğrisi 942
çaptaki değişimlere karşı daha duyarlı hale gelmektedir. Şekil 3.6’da görüldüğü gibi, 943
5 mm hortum çapında, toplam sürtünme faktörünün (f) çok büyük olmasından dolayı 944
sonuçlarda (5 mm’lik diğer sonuçlara göre) ciddi bir değişim gerçekleşmemiştir. Çap 945
artışıyla birlikte, hızla düşmeye başlayan toplam sürtünme faktörü, ısı değiştirgeci 946
içindeki iç çap ve hortum iç çapı arasındaki fark artmaya başladıkça düşüş hızını 947
düşürmüş ve sabit bir değere yaklaşmıştır. Bu durum çap farkları 20 ve 40 mm olan 948
sistem eğrilerinde de görülebilir. Denklem 3.3’te de belirtildiği gibi, basınç kayıp 949
eğrisinin toplam akışkan hızının karesiyle doğru orantılı olmasından ve tam çalkantılı 950
bölgede (complete turbulence) sabit bir değere ulaşan toplam sürtünme faktöründen 951
dolayı, eğri bir parabol gibi davranmaya başlayacaktır. Yüksek hortum iç çaplarında 952
40
düşen göreceli pürüzlülükten (ε/D) dolayı toplam sürtünme faktörü daha düşük 953
çıkacaktır. 954
Çizelge 3.3’te mevcut su debisine ait fonksiyonun kendisine, yarı değerine ve 2 955
katına ait su pompa fonksiyonlarına ait simülasyon sonuçları gösterilmektedir. 5 mm 956
hortum iç çaplı konfigürasyonlarda pompa fonksiyonuna göre hacimsel su debisi 957
yaklaşık %115’lik bir artışla 123 lt/sa’den 265 lt/sa’ye yükselmiştir. Hortum iç 958
çapları yükseldikçe bu artış sürse de kısmi bir düşüşe uğramış ve 40 mm hortum iç 959
çaplı konfigürasyonda yaklaşık %105’lik artışla, 794 lt/sa’den 1657 lt/sa’ye 960
yükselmiştir. 961
Çizelge 3.3: Farklı Su Pompaları için Su Debisi Simülasyonları 962
İç Çap (mm) L (m) Q (lt/sa) ΔP (bar) Q (lt/sa) ΔP Q (lt/sa) ΔP
5 4 123 0,461 192 0,918 265 1,828
10 4 527 0,449 820 0,878 1107 1,718 20 4 775 0,441 1135 0,856 1618 1,645 40 4 794 0,440 1153 0,854 1657 1,639 963
Matematiksel olarak ifade etmek gerekirse, bir parabolün ikinci dereceden çarpanına 964
ait katsayı olan sürtünme faktörünün daha küçük olduğu durumlarda basınç kaybı 965
eğrisi daha yavaş artacak ve bu durum sistemi pompa eğrilerindeki farklılıklara karşı 966
daha değişken hale getirecektir. Mühendislik uygulamalarında bu daha çok arzu 967
edilen bir durumdur zira, sisteme iyileştirme olarak değiştirilen su pompası böyle 968
durumlarda daha yüksek debi artışı sağlayacaktır. 969